關(guān)鍵詞：螺旋槳設(shè)計；水動力效率；渦流控制；航行適應(yīng)性

隨著全球?qū)δ茉聪暮铜h(huán)境保護要求的不斷加強，航運業(yè)面臨著提高能源利用效率和減少污染排放的雙重挑戰(zhàn)。在這一背景下，螺旋槳的水動力設(shè)計優(yōu)化顯得尤為重要，其直接關(guān)系到船舶的動力性能、燃料效率以及運營成本。螺旋槳在航行中需克服多種水動力挑戰(zhàn)，包括減少水流阻力、控制渦流生成以及提升在多變航行條件下的適應(yīng)性等，這些挑戰(zhàn)的有效解決不僅可以顯著提高螺旋槳的效率，還能減輕船舶對環(huán)境的影響?；诖?，深入分析螺旋槳水動力效率的提升具有重要意義。本文圍繞螺旋槳設(shè)計中的水動力挑戰(zhàn)進行分析，并根據(jù)其成因提出有效的解決策略，以期可以為螺旋槳水動力效率的提升提供參考，從而促進航運業(yè)向更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展。

一、螺旋槳設(shè)計中的水動力挑戰(zhàn)

（一）高效率低噪音的需求平衡

螺旋槳的效率直接關(guān)聯(lián)到其設(shè)計特性，包括葉片的數(shù)量、形狀、大小和扭曲角度，理想的螺旋槳設(shè)計應(yīng)當(dāng)使得船舶在不同的速度和負載條件下都能維持最高的推進效率。然而，為了達到更高的效率，螺旋槳的設(shè)計常常需要更大的葉片面積和更加復(fù)雜的葉片幾何形狀，以最大化推進力并減少滑流，這種設(shè)計會增加螺旋槳在水中的旋轉(zhuǎn)速度，導(dǎo)致水流劇烈攪動，從而產(chǎn)生更高的水動噪音，對船舶的環(huán)境適應(yīng)性和乘客舒適度造成了不利影響[1]。另一方面，螺旋槳在高速旋轉(zhuǎn)時，螺旋槳葉尖可以產(chǎn)生強烈的渦流，這些渦流在螺旋槳后部形成壓力波動進而產(chǎn)生噪聲。這種噪聲不僅影響船舶乘客和船員的舒適性，還會對海洋生物產(chǎn)生負面影響。

（二）葉尖渦的產(chǎn)生

葉尖渦的產(chǎn)生主要是由于螺旋槳葉尖處壓力的差異所致，螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時葉片的每一點都以不同的速度移動，這種速度的不均勻分布導(dǎo)致葉尖處的壓力遠低于葉根。當(dāng)葉尖的壓力低到足以使水汽化時會形成氣泡，隨后這些氣泡在壓力恢復(fù)正常后迅速坍塌，從而產(chǎn)生渦流，這種現(xiàn)象也被稱為空化?？栈粌H會導(dǎo)致效率下降，還會引起強烈的噪聲和振動，長期而言還會對螺旋槳葉片造成物理損傷。與此同時，葉尖渦的形成還與螺旋槳的操作條件有關(guān)。在高負荷或高速度的運行條件下葉尖的相對流速會增大，從而增加了葉尖渦形成的概率，而葉尖渦的產(chǎn)生不僅影響著螺旋槳的效率，還會增加噪聲和磨損，從而對環(huán)境與船舶運行產(chǎn)生負面影響。

二、螺旋槳設(shè)計中的水動力挑戰(zhàn)解決策略

（一）采用優(yōu)化的葉片幾何形狀和分布

優(yōu)化螺旋槳葉片的幾何形狀首先需要對現(xiàn)有設(shè)計進行深入分析，確定存在的效率不足或噪聲問題的根源。在這一過程中，計算流體動力學(xué)（CFD）模擬是一種重要的工具，通過CFD模擬，設(shè)計師可以觀察到葉片各部位如何影響水流的速度和方向以及這些變化如何影響螺旋槳的總體性能。而后，基于模擬結(jié)果對葉片形狀進行微調(diào)以優(yōu)化水流過葉片時的壓力分布，從而有效減少渦流和湍流的產(chǎn)生。與此同時，優(yōu)化葉片的分布也是提升螺旋槳性能的關(guān)鍵因素。在多葉片螺旋槳設(shè)計中，正確的葉片分布可以使得后面葉片的進氣條件得到改善，減少相鄰葉片之間的干擾，從而降低能耗和提升效率[2]?；诖?，在設(shè)計過程中應(yīng)采用不均勻分布的策略，調(diào)整每個葉片的位置和角度使得螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時每個葉片都能在最佳的流態(tài)環(huán)境中運作，以此來優(yōu)化推力輸出和降低噪音。

（二）應(yīng)用多葉片螺旋槳設(shè)計

多葉片螺旋槳通過增加葉片的數(shù)量，如五葉、六葉甚至更多能夠顯著減少每片葉片承受的負載，這種設(shè)計使得葉片間的推力更加均勻分布，從而減輕了葉尖高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的劇烈渦流。在實際應(yīng)用中，設(shè)計師需要根據(jù)船舶的具體需求和預(yù)期的運行條件精確計算葉片的數(shù)量、尺寸和布局，以確保每個葉片都能在最優(yōu)的條件下工作，實現(xiàn)高效推進。與此同時，在多葉片設(shè)計中還應(yīng)當(dāng)精心設(shè)計葉片的排列順序和角度，葉片的角度和彎曲程度可根據(jù)水動力學(xué)原理進行優(yōu)化以確保水流在葉片表面的流動順暢，減少湍流和分離現(xiàn)象；而對于貨船、客船、特種船舶等不同類型的船舶，葉片的設(shè)計還需考慮到特定的操作速度和負載條件，以確保螺旋槳在各種情況下都能保持最佳性能。

三、結(jié)語

綜上，本文通過綜合運用現(xiàn)代工程技術(shù)和水動力學(xué)理論，為螺旋槳設(shè)計提供了創(chuàng)新的解決策略。通過采用優(yōu)化的葉片幾何形狀和分布、應(yīng)用先進的CFD技術(shù)和葉尖設(shè)備等策略，不僅能夠顯著提升螺旋槳的水動力效率，還能夠在降低運營成本和增強環(huán)保性能方面發(fā)揮重要作用。未來，可進一步探索這些技術(shù)在不同類型和規(guī)模船舶上的應(yīng)用效果，以推動航運業(yè)朝著更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展。

參考文獻：

[1]楊瓊方，黃修長，李曄.船用螺旋槳水動力、空化和低噪聲集成設(shè)計[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，64（01）：75-89.

[2]嚴亮，賴海清，方先進.端板螺旋槳設(shè)計及水動力性能分析[J].廣東造船，2018，37（03）：21-24.

（作者單位：哈爾濱工程大學(xué)）